電磁超材料吸收器的研究進展

劉亞斗　韓松昊

摘 要：在研究領域當中，電磁超材料主要是指不具備超常電磁性質的人工復合材料，這種材料通過對電磁波和光波的任意"裁剪"，實現奇特的電磁性能。本文在對電磁超材料的應用進行研究中，對電磁超材料吸收器的研究情況和發展方向進行了匯總。并依托現階段的研究成果，對研究領域之中，電磁超材料多頻段太赫茲吸收器的研究進展和可調諧電磁超材料吸收器的研究成果進行了分析。

關鍵詞：電磁超材料；電磁性能；多頻段太赫茲；可調諧電磁

前言：在有效媒介理論當中，超材料所擁有的特性可以通過有效介電常數、磁導率兩種數值進行表現，而這兩種數值在超材料的物理尺寸當中，可以實現充分的結構設計調控。電磁超材料由于具有了這一特點，使得其在對光波、電磁波進行“裁剪”時，可以實現透鏡、負折射率甚至是電磁隱身等獨特性能。這些性能的實現和應用在研究領域中具有非凡意義和價值，完美諧振吸收器就是利用電磁波和電磁分量耦合所研發的重要設備。

一、多頻段太赫茲吸收器的研究進展

（一）單帶超材料吸收器研究進展

單帶超材料吸收器是現階段新型人工電磁超材料研究中的主要方向和內容，在研究中，單帶吸收器主要由三個層級共同組成，其中，上下兩層均為金屬層，在材料應用中，選擇金材料進行應用；中間層級為電介質層，應用材料為常見的聚酰亞胺材料、在單帶吸收器的三層結構中，設置兩條固定距離和固定長度的切割線，從而形成對整體層級結構的切割[1]。在研究中，研究人員通過具體的切割線設計，對吸收器的層級厚度、導電率、電介質介電常數以及損耗角參數進行確定。在進行面向三個層級的吸收器結構進行切割線切割時，兩條切割線之間會與金屬層級之間形成一定的電諧振、磁諧振。通過仿真分析可以對電場方向、磁場方向進行判斷，并形成坐標軸對單帶吸收器的反射曲線進行設定和控制。為了能夠達到最佳的吸收效率，在現階段的設計和研究中，研究人員對吸收器的尺寸進行了優化，并通過仿真軟件分析的方式，得到了吸收效果與吸收器尺寸之間的關聯。研究者認為，吸收器的尺寸變化會對切割線的長度產生影響。而切割線的長度越長，其所產生的吸收效率越高，并借助紅移效應，形成電容器。電容越高，限制越低，同時吸收越完美。

（二）雙帶超材料吸收器研究進展

雙帶超材料吸收器的研究和設計主要利用太赫茲材料所具有的雙波段構成特征所進行的。在吸收器設計方面，層級同樣設定為三層，其中第一層級為方正環形結構的金屬材料；第二層與第三層與單帶吸收器相同，為電介質層和金屬層，分別采用聚酰亞胺材料和金材料。在進行吸收時，吸收器內部的太赫茲波會發生運動，并與超材料結構保持垂直，完成入射。這一時期，吸收器內部的金屬電子開始移動，出現電流。而由于最下層級的金屬材料影響，磁場的產生會在環路電流之間形成流動，進而產生磁諧振。在吸收原理中，通過對反射系數和透射系數的控制，使二者頻率保持一致，從而實現完美吸收。吸收器材料需要通過減少反射，實現吸收量的增加。

（三）多頻段太赫茲吸收器的研究成果

在研究領域，研究人員通過對吸收器的設計，總結出了現階段電磁超材料的阻抗匹配特點。電磁超材料本身所存有的阻抗需要與自由空間存在的阻抗相互配合，從而實現超材料的虛部吸收器設置。而在吸收器運行過程中，通過對反射、透射的量級進行控制，能夠實現損耗效果的降低。因此研究人員希望借助開口諧振環的方式，構建共振結構，提高吸收器的吸收能力。

二、可調諧電磁超材料吸收器的研究進展

（一）可調諧電磁超材料吸收器的結構設計

可調諧電磁超材料吸收器的設計，主要是將選定的絕緣金屬相VO2薄膜層加入到超材料層和介質層中間，在運行中，通過VO2薄膜來對外界環境進行觸發，從而實現過程相變，控制吸收器的吸收率。通過分析可以看到，VO2薄膜層在常態之下表現為絕緣狀態，這一時期薄膜層的主要作用與介質層相同。研究人員通過對自由空間阻抗匹配的計算，獲得結構參數和尺寸參數，從而選定電磁波完美吸收的固定頻段。在受到外場的刺激后，VO2薄膜層會出現相變，并由傳統的絕緣狀態轉變為金屬相狀態，在轉變過程中，原本設定的阻抗條件遭到破壞，電磁波出現強烈的反射現象，使得吸收率降低。而當VO2薄膜轉變會絕緣狀態后，吸收器的吸收率則會得到恢復。

（二）可調諧電磁超材料吸收器的仿真制備

在進行了超材料吸收器的結構模型設計分析后，依據相關的參數特征和吸收原理，研究人員利用選定的仿真軟件進行了吸收器仿真制備工作。本文在進行研究分析時，主要通過autoCAD軟件，對選定的吸收器參數進行了掩膜版設計，在掩膜版的圖案設計和透光性設計方面，依托現階段一線研究機構的研究結果進行了充分調整，并依托某光學機械研究所的研究成果，選用si/pt片進行薄膜的制備，使薄膜厚度達到參數設定要求的2μm標準，作為層級的加入將其放置在介質層和金屬層之間[2]。在相變薄膜的制備方面，本文主要采用射頻磁控技術進行濺射，將金屬釩靶材在薄膜上進行沉積，使之形成一定厚度的二氧化釩相變薄膜，控制濺射溫度，完成制備。最后進行仿真制備的是吸收器當中的超材料人工結構，針對已經完成制備的薄膜，通過磁控濺射的方式，在相變薄膜之上進行繼續沉積，沉積厚度需要控制在100nm以內，形成Au層，再利用光刻工藝對其進行刻蝕，使其具有周期陣列，完成吸收器材料的制備。

結論：綜上所述，隨著技術手段和研究方向的發展和前行，當前階段研究領域針對電磁超材料吸收器的研究也取得了巨大的突破。在研究領域，多頻段太赫茲吸收器技術和可調諧電磁超材料吸收器技術是目前技術領域重要的研究成果，在具體的應用中表現出不凡的實踐價值。

參考文獻：

[1]姚建銓，梁蘭菊. 多層電磁超材料在太赫茲技術中的應用研究進展[J]. 棗莊學院學報，2013，30（05）：1-11.

[2]程偉，李九生，胡建榮. 基于磁性介質棒的可調太赫茲波吸收器研究[J]. 電子元件與材料，2013，32（05）：42-44+55.